基于SCS水文模型的城市河涌设计洪水计算研究

谭 超，黄本胜，黄峰华，邱 静，刘 达

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510610；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510610)

0 前 言

在城市河涌整治设计中，设计洪水计算是确定工程规模的重要依据。对于无流量观测流域，传统设计洪水计算方法多采用综合单位线法[1]及推理公式法[2]并得到广泛应用，但这两种方法主要适用于天然河道，而对于城市河涌，由于城市化的下垫面与自然地貌差异较大，传统计算方法无法反映城市下垫面复杂暴雨产汇流过程。SCS水文模型是美国农业部水土保持局于1954年开发的小流域水文模型，由于其结构简单、使用方便，对观测资料要求不高，在小流域工程规划及防洪、水土保持、城市水文及无资料流域等多种水文研究中得到广泛应用[3-12]。与以往的水文模型相比，SCS模型可考虑流域中土地利用类型、土壤类型等下垫面因素对降雨径流的影响，适合于城市下垫面设计洪水计算。

望江沥是东江的一级支流城市河涌，位于东江下游广东惠州市惠城区惠州大堤(北堤)的保护范围内，为东江河谷平原区，集雨面积为17.12 km2，河道平面干流河长8.3 km，该河涌无实测流量观测站，流域范围内城市化程度高，为典型城市河涌。本文以望江沥河涌为例，采用SCS水文模型，根据遥感卫片提取流域下垫面地类信息，通过划分子流域分区汇流计算望江沥出口处的设计洪水流量，研究不同下垫面条件的洪水效应，并将计算成果与传统计算方法进行对比分析。本研究为无径流观测资料城市河涌设计洪水计算提供了新思路，同时可供城市河涌防洪排涝规划设计参考。

1 SCS水文模型设计流量计算

降雨径流模拟分为产流计算和汇流计算。本文将望江沥流域根据汇水口划分若干子流域(集雨面积在1.5 km2以内)，采用SCS模型计算子流域产流量，考虑洪水的坦化和滞后作用；同时通过遥感卫片提取的流域下垫面地类信息给定模型的CN值，将计算得到的子流域出口流量输入河涌一维水流数学模型，从而计算得到望江沥流域出口流量过程。

1.1 SCS模型原理

SCS模型是小流域设计洪水模型[12]，该模型综合考虑了流域降雨、土壤类型、土地利用方式、前期土壤湿润状况与径流的关系。模型假定地面径流量与潜在径流量之比等于流域实际入渗量和最大入渗量之比，即：

(1)

式中：F为流域实际入渗量，mm；S为流域最大入渗量，mm；Q为地面径流量，mm；P为降雨量，mm；Ia为初损雨量，mm。

根据水量平衡原理有：

P=Ia+F+Q

(2)

从而推算得到最终表达式为：

(3)

式中：Q为径流量，mm；P为一次降雨的降雨总量，mm；S为流域当时的可能最大滞留量，mm。模型设计者引入下式以确定S：

(4)

式中：CN(Curve number)是一个无量纲参数。CN值是SCS模型的主要参数，用于描述降雨-径流关系，已将前期土壤湿润程度(Antecedent moisture condition，简称AMC)、坡度、土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起。CN值把流域下垫面条件定量化，用量的指标来反映下垫面条件对产汇流过程的影响。因此，CN值的意义并不限于作为SCS模型的一个重要参数，而是反映降雨前流域特征的一个综合参数，可以间接地综合反映人类活动对径流的影响，也在水文模型参数确定和遥感信息使用之间建立了直接联系，为解决无资料地区的径流估算提供了新的手段。

1.2 CN值确定方法

CN值在SCS模型中描述降雨-径流关系，反映了流域下垫面单元的产流能力。根据模型含义，CN值为土地利用类型、土壤类型、前期土壤湿润程度等下垫面因素的函数。一般地说，在降雨一定的条件下，产流量较大的土地利用类型、土壤类型、前期土壤湿润程度,其CN值较大，反之亦然。因此，确定望江沥流域的CN值是径流模拟的首要任务。

在理论上，CN取值介于0～100之间，但在实际条件下，CN值在30～100之间变化。根据土壤特性不同，可将土壤划分为A、B、C、D 4大类，并由此确定其CN值，其主要特征见表1。

表1 水文土壤组定义指标

SCS模型有其特有的土壤分类系统。本文以区域土壤分类方法和土壤分类图为基础，对原有土壤分类进行了对应归并，得到了符合SCS模型的土壤分类结果。因土壤属性较稳定，将土壤分类结果作为不变值，用于模型计算中。CN值同样受降雨前的流域内土壤湿润程度的影响。SCS模型将土壤湿润程度根据前5 d的总雨量划分为3类，分别代表干、平均、湿3种状态(AMCI、AMCII、AMCIII)，不同湿润状况的CN值有相互的转换关系。最终根据SCS模型提供的CN值查算表，充分考虑区域自然条件,参考有关研究者[13]在SCS模型应用中所确定的CN值矩阵，确定了望江沥流域CN值矩阵，见表2。

表2 望江沥流域SCS模型CN值(AMCII)

1.3 子流域产流计算

收集望江沥流域1∶10 000地形图及排水管网图，根据排水分区，将望江沥流域划分为28个子流域。结合高清卫星图片提取各子流域下垫面类型和SCS模型CN值，获得望江沥流域各子流域土地利用面积和综合CN值，详见图1。

利用《广东省暴雨径流查算图表》选用东江中下游3 d设计雨型(暴雨时段分配)，再利用暴雨参数可算出不同频率下最大3 d设计暴雨过程。将3 d设计暴雨过程作为SCS模型输入，计算各子流域产流过程。根据广东省综合单位线的相关成果，子流域洪水坦化系数取0.75，按广东省洪峰流量经验公式，滞后时间t=0.36×河长^0.68，设计频率P=5%的各子流域计算成果见图2。

图1 望江沥流域各子流域综合CN取值

1.4 汇流计算

1.4.1 汇流计算方法

汇流计算建立望江沥河涌一维水流数学模型，一维水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态。

(5)

(6)

式中：x、t分别为计算点空间和时间的坐标;A为过水断面面积；Q为过流流量；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

图2 设计频率P=5%的各子流域计算成果

1.4.2 参数取值

(1)河道断面地形资料。望江沥河道断面地形资料采用本次用本次整治后设计河道断面，东江河道断面地形资料采用2012年的实测资料。

(2)糙率的确定。考虑到整治后的断面衬砌护坡方式不同，整治后的糙率结合本河道整治后实际情况取值。河道整治后两岸大部分岸坡采用草皮护坡，并结合景观分布有灌木、景石等，按天然河道清洁、顺直、无沙滩、无潭、有草石情况取值0.032。

(3)河道断面的划分。望江沥河道断面地形资料采用本次用本次整治后设计河道断面，共划分了30个断面，平均断面间距约180 m。

1.4.3 计算结果

以各子流域出口流量过程作为一维水流模型汇入源，计算流域径流在河涌的汇流至流域出口过程。各来水频率下的设计洪峰流量见表3。

表3 SCS模型设计洪峰流量

2 流域下垫面变化洪水效应

望江沥流域受人类活动影响较大，随着城市化的发展，城市用地面积不断扩大。依据卫星遥感图片统计，望江沥流域集雨面积内城市用地面积高达60%，湿地和水体的面积不足5%，因此，该流域已经不是完全的自然流域特性，流域产汇流特性发生了相应变化，应用传统的综合单位线和推理公式法在推求城市化进程明显的区域设计洪峰流量可能存在偏小现象。因此，拟对流域不同下垫面条件对径流变化进行敏感性分析。

2.1 情景构建

为分析城市化对洪水的响应程度，以城市用地面积为主要情景构建因素，按从无城市用地以10%的比例逐渐递增的原则，以情景分析方法构建7种情景，见表4。

2.2 洪水响应分析

依据不同下垫面情景类型和3 d设计降雨过程作为SCS模型输入，再经望江沥干流水动力学模型汇流演算，计算不同来水频率条件下望江沥流域出口设计洪水过程，其中设计频率P=5%的流域不同下垫面情景的计算成果见图3。

随着城市化发展，流域下垫面的“硬化”作用，导致降雨截留和土壤下渗减少，地表汇流加快，洪水陡涨陡落。数据分析表明，洪峰流量与城市用地面积呈正相关；随着城市用地面积较少，耕地、林地和灌草地面积增加，接近天然流域下垫面情景。

表4 望江沥流域下垫面变化情景构建

图3 设计频率P=5%的流域下垫面变化的洪水计算成果

以洪峰流量为主要分析因子，不同来水频率下的下垫面变化洪水效应见图4。从图、表可知，随着城市用地面积增加，洪峰流量相应增加，呈现明显正相关。根据敏感性分析公式，洪峰流量变化率/城市用地变化率的值在0.2以内，属于不敏感变化。当城市用地面积比例由现状的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面积比例上升至80%以上，此时望江沥流域下垫面接近自然流域特性，各来水频率下的设计洪峰流量相对现状减少20 m3/s左右，平均减少15%。

3 设计洪水成果合理性分析

3.1 与径流系数法的对比分析

CN值是SCS模型降雨产流计算的主要参数，用于描述降雨-径流关系，为验证SCS模型产流计算成果，本研究采用径流系数法进行对比分析。

径流系数法主要参数是不同下垫面类型的面积和径流系数，同时考虑滞蓄能力。下垫面类型的面积见表5，参考了《城市排水工程规划规范》、《室外排水规范》等文献，确定了望江沥流域下垫面的径流系数和滞蓄能力，其中滞蓄能力是指当降雨量累积到一定水深才能产生径流，主要影响降雨径流过程的前期。

图4 不同来水频率下的下垫面变化流域洪峰流量响应曲线图

表5 下垫面类型的主要参数

选取P=5%设计暴雨过程作为输入，以子流域1～2为例，采用径流系数法计算设计暴雨在分块面积上的产流量与SCS模型的对比，径流过程见图5，径流系数法和SCS模型两种方法模拟降雨产流的效果统计指标见表6。由表6可知，径流系数法模拟结果相对SCS模型偏大，退水阶段两种方法模拟结果基本一致，两种方法确定系数高达0.97以上，洪峰误差13%以内，两种方法模拟效果是一致的，SCS模型方法计算基本合理。

图5 径流系数法与SCS模型在子流域上产流量对比(P=5%)

3.2 与综合单位线、推理公式法的对比分析

SCS模型计算成果与传统设计洪水计算方法对比见表7，如表7所示，SCS模型计算设计洪水成果相对传统方法(综合单位线法及推理公式法)大20%，这主要是由于SCS模型充分考虑了下垫面变化，汇流较快，洪峰流量较大。

表6 径流系数法和SCS模型两种方法模拟统计指标

表7 SCS模型计算成果与传统设计洪水计算方法对比

从望江沥流域内土地利用类型来看，流域内城市用地和裸地的面积比例占整个流域的66.8%，且集中分布在流域中下游，流域内排水管网密布，流域的城市化作用明显。对于传统应用于自然流域的综合单位线和推理公式法在推求城市化进程明显的区域设计洪峰流量可能存在偏小现象。基于SCS模型耦合水动力学方法在产流计算方面充分考虑流域下垫面变化的因素，产流计算相对合理。

4 结 论

对于城市河涌，由于城市化的下垫面与自然地貌差异较大，传统计算方法无法反映城市下垫面复杂暴雨产汇流过程。本文以惠州望江沥河涌为例，基于SCS水文模型计算了城市河涌设计洪水，并与传统设计方法进行对比分析，形成主要结论如下：

(1) 将望江沥流域根据汇水口划分若干子流域(集雨面积在1.5 km2以内)，采用SCS模型计算子流域产流量，考虑洪水的坦化和滞后作用；同时通过遥感卫片提取的流域下垫面地类信息给定模型的CN值，将计算得到的子流域出口流量输入河涌一维水流数学模型，从而计算得到望江沥流域出口流量过程。该方法能充分考虑流域下垫面对水文模拟的影响，在定量分析区域人类活动对水量影响分析以及流域分布式水文模拟上进行推广和应用。

(2)随着城市用地面积增加，望江沥河涌洪峰流量相应增加，呈现明显正相关。根据敏感性分析公式，洪峰流量变化率/城市用地变化率的值在0.2以内，属于不敏感变化。当城市用地面积比例由现状的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面积比例上升至80%以上，此时望江沥流域下垫面接近自然流域特性，各来水频率下的设计洪峰流量相对现状减少20 m3/s左右。

(3)SCS模型计算设计洪水成果相对传统方法(综合单位线法及推理公式法)大20%，这主要是由于SCS模型充分考虑了下垫面变化，汇流较快，洪峰流量较大；从望江沥流域内土地利用类型来看，流域内城市用地和裸地的面积比例大，且集中分布在流域中下游，流域的城市化作用明显。对于传统应用于自然流域的综合单位线和推理公式法在推求城市化进程明显的区域设计洪峰流量可能存在偏小现象。基于SCS模型耦合水动力学方法在产流计算方面充分考虑流域下垫面变化的因素，产流计算相对合理。

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